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利用CT方法重建地球等离子体层三维密度分布

作　者: 郑杰
导　师: 陈志强
学　校: 清华大学
专　业: 核科学与技术
关键词: 地球等离子体层极紫外辐射 CT成像算法 ART代数迭代
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

地球等离子体层是存在于地球周围大约5个地球半径内呈面包圈状环绕地球的近地空间带电粒子区域,它的存在对航天器的运行和安全等都有着重要的影响,有关等离子体层的研究一直受到广泛的重视。人们发现等离子体层内的He+在太阳光的作用下,能够发射波长为30.4nm的极紫外辐射(Extreme ultraviolet radiation, EUV)。2000年,美国发射了IMAGE卫星,其上安装的EUV探测器就能够用来探测等离子体层内He+受激辐射的这种EUV射线。EUV探测器上每个单元探测得到的极紫外线强度实际上代表了这个探测单元视线上的等离子体层的密度积分,而这和传统CT成像时探测器接收到的光信息是相似的,都可以转化为研究对象某物理量沿观测方向上的积分。因此,本论文提出利用CT技术通过二维EUV探测数据研究全球等离子体层三维密度分布。在IMAGE卫星及其EUV数据深入分析的基础上,本文提出了一种条件约束的ART+TV方法实现等离子体层的三维密度分布重建,并分别利用计算机模拟数据和IMAGE卫星真实数据,对上述思想和方法进行了验证。由于IMAGE卫星采集的数据与传统X射线CT存在较大差异,在课题研究过程中,发现并克服了三个主要难题:地球遮挡问题、有限角度稀疏采样问题和等离子体层运动问题。通过根据实际数据修正反投影路径解决了地球遮挡问题;而有限角度和稀疏采样造成的数据不完备问题,通过增加ART过程中的约束条件得以解决。这些约束条件主要包括:1)结合弱化的偶极磁场模型通过EUV数据重建出地球磁赤道面上的等离子体分布,进而构建等离子体层三维边界约束条件;2)引入TV(Total Variation,全变差)最优化约束准则。等离子体层的运动问题一直是空间探测未知的难题,论文通过磁赤道面等离子体密度分布对运动进行了分析。为验证上述方法,首先构建了一个三维等离子体层数学模型,通过计算机实现了IMAGE卫星EUV数据采集的数值模拟,并利用模拟数据进行了三维CT重建验证,取得了良好效果。最后,使用真实EUV数据利用本文方法获得了首张全球等离子体层的三维密度分布重建图像,为今后国内开展独立自主的、创新性的等离子体层研究提供了一种切实可行的思路和方法。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章引言  9-15
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 研究现状  10-12
  1.3 论文研究内容、方法和结构安排  12-15
第2章地球等离子体层及EUV 成像系统相关介绍  15-32
  2.1 地球等离子体层介绍  15-18
  2.2 IMAGE 卫星简介  18-19
  2.3 EUV 成像系统简介  19-22
  2.4 EUV 成像数据FITS 文件的相关介绍.  22-24
  2.5 EUV 探测器单元探测结果的物理意义  24-27
  2.6 几种坐标系的定义及相互转化关系  27-32
第3章 ART 代数迭代法的相关方法步骤及改进  32-40
  3.1 CT 技术及方法介绍  32-35
  3.2 ART 方法的基本原理  35-36
  3.3 ART 方法与其他CT 重建方法相比的优势  36
  3.4 TV 方法在CT 重建过程中的应用.  36-37
  3.5 本课题所用ART 方法的相关改进  37-40
第4章等离子体层三维建模及计算机模拟  40-53
  4.1 为何进行计算机模拟  40
  4.2 三维等离子体层的建模和模拟数据的生成  40-43
  4.3 利用模拟数据进行360 度与180 度CT 扫描范围的重建  43-45
  4.4 利用模拟数据进行实际轨道扫描范围的重建  45-50
  4.5 使用TV 优化准则前后重建结果比较  50-53
第5章利用EUV 实际数据进行重建  53-76
  5.1 真实数据的特点及重建可行性分析  53-54
  5.2 边界条件的重要性及其计算  54-55
  5.3 磁赤道面等离子体密度分布的计算  55-66
  5.4 由磁赤道面等离子体密度分布计算边界条件  66-67
  5.5 等离子体转动模型分析及其在重建过程中的影响  67-72
  5.6 真实数据三维重建及结果分析  72-76
第6章结论  76-77
参考文献  77-81
致谢  81-82
附录 FITS 文件头文件  82-84
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  84

利用CT方法重建地球等离子体层三维密度分布

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